高效率雙發(fā)光層藍光OLED

杜帥 張方輝

摘要：采用藍色有機熒光染料TBPe和藍綠光染料DPAVBi作為客體發(fā)光材料，將其分別摻入主體材料ADN中形成雙發(fā)光層，制備了結(jié)構(gòu)為ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：TBPe（15nm）/ADN：DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）高效率藍色OLED器件。在電壓為14V時，器件發(fā)光亮度為13050cd/m2，電流密度為130.67mA/cm2，最大電流效率為11.96cd/A，分別是以ADN：TBPe和ADN：DPAVBi為單發(fā)光層器件2.3和1.1倍。且在電壓從10V增長到15V時，色坐標(biāo)僅從（0.16，0.26）變化到（0.16，0.25），具有較高穩(wěn)定性。原因為雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)削弱了空穴和電子載流子在界面處積累，增加了激子產(chǎn)生區(qū)域以及能量能在主體與客體間進行有效轉(zhuǎn)移。

關(guān)鍵詞：熒光；雙發(fā)光層；藍光OLED

一、引言

OLED 由于其具有自發(fā)光、廣視角、響應(yīng)速度快、大尺寸、全固體化、低功耗、可柔性化等不可替代優(yōu)勢被喻為下一代平板顯示器“明星”。要想實現(xiàn)OLED全彩色化顯示，高效紅、綠、藍三基色單色顯示則是不可或缺一部分。目前，紅、綠單色有機電致發(fā)光器件性能已經(jīng)達到實際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，然而藍光器件亮度、效率、壽命仍然較差，其性能有待提高。藍色熒光材料由于只能利用單線態(tài)激子能量發(fā)光使得其最大內(nèi)量子效率只能達到 25%，而藍色磷光材料雖然可以達到100%內(nèi)量子效率但需要用 Pt、Ir 等重金屬原子，增大了器件制作成本，并且由于藍色磷光材料三線態(tài)能隙比一般主體材料寬，使得主客體之間充分能量傳遞受限。因此，針對如何制備高效率藍色有機電致發(fā)光器件進行了不斷探索。由于多數(shù)單發(fā)光層結(jié)構(gòu)器件激子產(chǎn)生區(qū)域靠近

傳輸層一側(cè)，易使激子擴散到電極處引起發(fā)光淬滅，導(dǎo)致器件發(fā)光效率下降。因此，開展了對多發(fā)光層結(jié)構(gòu)藍色OLED研究工作。Bang等[1]采用BCP摻雜MADN和MADN摻雜mCP作為雙發(fā)光層制備了藍光器件，亮度達到10270 cd/m2。Qi等[2]將不同濃度N-BDAVBi摻雜到CBP中作為雙發(fā)光層制備藍光器件，亮度達到了40040cd/m2，最大發(fā)光效率達到了18.99cd/A。Lin等[3]采用DPVBi為主體材料，分別摻雜BCzVB和C545T作為雙發(fā)光層制備藍光器件，與對應(yīng)單發(fā)光層器件相比，極大地提高了器件色度和電流效率。因此，研究雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)藍色OLED具有重要意義。

本文采用藍色有機熒光染料TBPe和藍綠光染料DPAVBi作為客體發(fā)光材料，將其分別摻入主體材料ADN中形成雙發(fā)光層，制備了結(jié)構(gòu)為ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：TBPe（15nm）/ADN：DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）高效率藍色OLED器件。

二、實驗

（一）、實驗準(zhǔn)備

首先將ITO玻璃進行劃片和刻蝕，然后將清洗好且干燥ITO基板置于預(yù)處理室進行等離子轟擊15min，以提高ITO基板表面功函數(shù)，降低驅(qū)動電壓，達到更好注入效率，轟擊完畢后用機械手傳遞至主真空腔體內(nèi)，待真空度抽到7×10-4Pa左右時進行蒸鍍。

（二）、器件制備

在相同實驗條件下，將藍色熒光染料TBPe和DPAVBi分別摻入到主體材料ADN中作為發(fā)光層，制備了單發(fā)光層和雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)OLED，器件結(jié)構(gòu)分別為：

Device A：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：2wt.%TBPe（30nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

Device B：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（30nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

Device C：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：2wt.%TBPe（15nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

Device D：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（15nm）/ADN：2wt.%TBPe（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

其中，2-TNATA為空穴注入層，NPB為空穴傳輸層，ADN：DPAVBi和ADN：TBPe為藍光熒光發(fā)光層，Alq3為電子傳輸層，LiF/Al為復(fù)合陰極。

（三）、器件性能測試

器件電壓、電流、亮度、電致發(fā)光光譜等參數(shù)，由電腦控制可編程電流-電壓源Keithley Source 2400和光譜掃描光度計PR-670所構(gòu)成測試系統(tǒng)進行測量。所有器件均在室溫下測量。

三、分析與討論

圖1 OLED器件能級結(jié)構(gòu)圖

本文所設(shè)計器件C能級結(jié)構(gòu)如圖1所示，能級值引自文獻[4-8]。從圖1可以看到NPBLUMO為2.3eV，比藍色熒光摻雜材料TBPe和主體材料ADN分別高出0.5eV和0.3eV，所以可以有效將電子限制在發(fā)光層內(nèi)，提高電子和空穴在發(fā)光層中復(fù)合幾率，達到提高光效目。還可以看到，ADN具有3.1eV能隙，TBPe和DPAVBi均為2.7eV能隙，可見主體材料ADN帶隙大于摻雜物TBPe和DPAVBi帶隙，所以可以較好提高器件效率。同時采用相同主體材料ADN，使得兩個發(fā)光層能級相同，沒有勢壘差，更有利于載流子在發(fā)光層中遷移，提高發(fā)光效率。

圖2器件電壓-發(fā)光亮度關(guān)系曲線

圖2為器件電壓-亮度關(guān)系曲線。由圖2可以觀察到，器件啟亮電壓均為4V。在同樣驅(qū)動電壓下，器件C亮度更高，在電壓為14V時，最大亮度為13050cd/m2，原因是在ADN：DPAVBi發(fā)光層中，客體材料DPAVBiHOMO能級較低使其為空穴傳輸提供了另一個渠道，而在ADN：TBPe發(fā)光層中，客體材料TBPeLUMO能級較低使其為電子傳輸提供了另一個渠道，電子和空穴可以更多被限制在發(fā)光層中，且空穴遷移速度比電子高兩個數(shù)量級，器件C結(jié)構(gòu)可以使電子能充分在發(fā)光層中與空穴進行復(fù)合，使得在相同驅(qū)動電壓下，器件C亮度相對較大。

圖3 器件電流密度-效率關(guān)系曲線

圖3所示為器件電流密度-電流效率圖，從圖3中可以看出，4類器件在低電流密度下電流效率快速達到最大值，在高電流密度下出現(xiàn)衰降。低電流密度下，器件發(fā)光機制既有Forster能量轉(zhuǎn)移也有來自摻雜材料分子對載流子直接俘獲產(chǎn)生輻射復(fù)合發(fā)光是器件電流效率快速增加主要原因。高電流密度下出現(xiàn)激子聚集引發(fā)發(fā)光淬滅是導(dǎo)致器件電流效率衰降主要原因。其中雙發(fā)光層器件C最大電流效率為11.96cd/A，分別是以ADN：TBPe和ADN：DPAVBi為單發(fā)光層器件A和B2.3和1.1倍。器件D中，由于客體材料能級，載流子除在ADN分子上形成激子之外，也易在NPB/ADN和ADN/Alq3界面積累，使得復(fù)合幾率下降。在單發(fā)光層器件A、B中，載流子復(fù)合區(qū)域較窄，并且靠近傳輸層一側(cè)，導(dǎo)致一部分激子和載流子擴散到傳輸層，降低器件發(fā)光效率。雙發(fā)光層器件電流效率增加是因為在主體ADN中形成了激子，然后將能量傳遞給摻雜材料輻射發(fā)光。因此，導(dǎo)致雙發(fā)光層器件效率增大主要因素包括：雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)減少了界面處載流子累積及發(fā)光淬滅，增加了激子產(chǎn)生區(qū)域，同時能量能從主體有效向客體轉(zhuǎn)移。

圖4 器件8V電致發(fā)光光譜

圖5器件在各電壓下歸一化光譜圖

圖4為器件A、B、C、D、E相對光譜圖，可以看到器件發(fā)光覆蓋了從380-780 nm可見光區(qū)。圖中比較明顯兩個發(fā)光峰值，分別位于464nm、476nm處，對應(yīng)于TBPe和DPAVBi特征發(fā)光峰，器件呈現(xiàn)藍光發(fā)射。說明主體材料ADN可以通過Forster能量轉(zhuǎn)移機制將激發(fā)能量傳遞給摻雜材料。四種器件EL光譜中均未出現(xiàn)主體材料ADN特征發(fā)光峰，表明除被激發(fā)主體分子能量除非輻射損失之外，還可以有效轉(zhuǎn)移到摻雜材料。器件C發(fā)光強度最強，說明此時電子和空穴注入比較平衡，從而能夠在發(fā)光層中更有效復(fù)合形成激子，激子退激發(fā)光，產(chǎn)生更強光出射。

從圖4中還可以看到器件在436nm附近有一個發(fā)光強度比較弱來自NPB發(fā)光峰。在520nm附近有一個發(fā)光強度比較弱Alq3發(fā)光峰。由圖4所示器件能級結(jié)構(gòu)圖可以看到，Alq3HUMO能級為5.8eV，ADNHUMO能級為5.7eV，勢壘為0.1eV，當(dāng)施加驅(qū)動電壓后，隨著電壓逐步增大，會有部分高能量空穴載流子穿過發(fā)光層進入到電子傳輸層，引起Alq3發(fā)光。還可以看到，NPBLUMO為2.3eV，該LUMO能級比主體材料ADN高出0.3eV，很大程度上阻擋了電子流入NPB中，但是還是有小部分電子流入NPB中與空穴復(fù)合發(fā)光。

如圖5所示為器件C歸一化光譜圖，發(fā)光峰在不同電壓下不偏移，光譜重疊性很好，表明了器件色坐標(biāo)比較穩(wěn)定，不易隨電壓變化而改變，說明了器件各發(fā)光層中載流子數(shù)目比較平衡，從而使各發(fā)光層發(fā)射強度相當(dāng)，使器件色度較好。

器件C在電壓從10V增長到15V時，色坐標(biāo)僅從（0.16，0.26）變化到（0.16，0.25），表明了器件光輻射具有較高穩(wěn)定性，不隨驅(qū)動電壓變化而改變，發(fā)光顏色始終位于藍光區(qū)域，并且隨驅(qū)動電壓升高，藍光色純度提高。

四、結(jié) 論

制備了結(jié)構(gòu)為ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：2wt.%TBPe（15nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）高效率藍光OLED。同時制備了單發(fā)光層摻雜結(jié)構(gòu)器件作為對比。在電壓為14V時，器件發(fā)光亮度為13050cd/m2，電流密度為130.67mA/cm2，最大電流效率為11.96cd/A，分別是以ADN：TBPe和ADN：DPAVBi為單發(fā)光層器件2.3和1.1倍。且在電壓從10V增長到15V時，色坐標(biāo)僅從（0.16，0.26）變化到（0.16，0.25），具有較高穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]Bang H S，Choo D C，Kim T W.Luminance enhancement mechanisms for blue organic light-emitting devices utilizing a double emitting layer [J].Journal of Electrochemical Society，2011，158（10）： 291-293.

[2]Qingjin Qi，Xiaoming Wu，Yulin Hua，et al.